コンピュータバイオサイエンス学科

白井 剛（しらい・つよし）
Tsuyoshi Shirai

専門分野／情報構造生物学

職位：学科長、教授
学位：博士（理学）（名古屋大学）

• 名古屋大学大学院理学研究科生物学専攻退学
• 名古屋大学大学院工学研究科助手、生物分子工学研究所主任研究員を歴任

研究テーマ

　情報生物学（バイオインフォマティクス）と、主にＸ線結晶解析実験による構造生物学を手段として、両者を統合したタンパク質・プロテオームの機能・構造の解析手法を研究しています。

（1）超分子ネットワークモデリングシステムの開発

　Protein Data Bankの構造情報を分類整理した２次データベースはこれまで人力により構築されていましたが、これをパーソナルコンピュータで完全自動で行うタンパク質立体構造２次データベース構築システム（SIRD）を開発しました（http://sird.nagahama-i-bio.ac.jp/sird/）。このシステムを使えば、未知の超分子複合体（分子が集合した生体巨大分子）の構造を予測することができます。例えば、リガーゼ-PCNA-DNA（ゲノム複製の総仕上げをする超分子）の構造を予測し、電子顕微鏡解析で実証することに成功しています。

（2）極限環境に適応した産業用酵素の研究

　家庭用洗剤などには、アルカリ性環境などに耐性を持つ酵素が利用されています。プロテアーゼ、セルラーゼ、アミラーゼなど実際に産業利用されてい る酵素の構造をX線結晶解析により明らかにし、アルカリ耐性の生じるメカニズムを提唱しました。また深海細菌の酵素のX線結晶解析から、高圧力耐性の解明 も進めています。

（3）祖先型配列推定を応用した進化トレース法の開発

　情報生物学はタンパク質の大昔の姿（祖先タンパク質）の構造を再現する為に使うことができます。魚類の生体防御タンパク質コンジェリンを使って、祖先コンジェリン遺伝子配列を計算し、実際に作成した祖先タンパク質の全体構造を解析することに世界で初めて成功しました。

Topics of research

The methods in analyzing protein/proteome system are developed by combining the bioinformatics and the experimental, mainly X-ray crystallography, approaches.

1. Supramolecular network modeling system
So far, the determined structures of proteins in the Protein Data Bank have been classified manually by expert researchers. In order to cope with the rapidly inflating database, the fully-automated 2ry PDB processing system (SIRD) has been developed through our research (http://sird.nagahama-i-bio.ac.jp/sird/). This system can be used to predict unknown structures of biological supramolecules (large functional assemble of bio-molecules in organisms). For example, the structure of ligase-PCNA-DNA complex (the supramolecule for finishing up genome replication) was constructed via SIRD, and the predicted structure was experimentally confirmed by the structure analysis with the single-particle electron-microscopy (SPEM) technique.

2. Analyses of extremophilic industrial enzymes
The enzymes that are resistant to extreme conditions such as high-alkaline or high-temperature, are industrially used as the builder of detergents. The structures of detergent builder protease, cellulase, and amylase were determined with X-ray crystallography, and the molecular mechanisms for alkaline-adaptation of proteins was proposed. Also the glucosidase from the deepest-sea bacteria was analyzed to understand protein adaptation to a high-pressure.

3. Ancestral protein study with evolutionary trace
The bioinformatics techniques can be used to calculate ancient structure of genes/proteins. The ancestral sequence of fish congerin (innate-immune protein) was predicted by using computer. The ancestral congerin gene was synthesized, and its three-dimensional structure was determined as the first time for a full-length ancestral protein.

主な業績論文等

1. A. Konno, A. Kitagawa, .M. Watanabe, T. Ogawa, T. Shirai, Tracing protein evolution with ancestral structures of fish galectin. Structure, 19, 711-722 (2011)
2. K. Mayanagi, H. Nishida, S. Kiyonari, M. Saito, D. Kohda, Y. Ishino, T. Shirai, K. Morikawa, The architecture of the DNA polymerase-PCNA-DNA ternary complex. Proc Natl Acad Sci U.S.A. 108, 1845-1849 (2011)
3. T. Shirai, Y. Watanabe, M. Lee, T. Ogawa, K.Muramoto, Structure of rhamnose-binding lectin CSL3: Unique pseudo-tetrameric architecture of a pattern recognition protein. J. Mol. Biol. 391, 390-403 (2009)
4. K. Mayanagi, S. Kiyonari, M. Saito, T. Shirai, Y. Ishino, K. Morikawa, Mechanism of replication machinery assembly as revealed by the DNA ligase-PCNADNA complex architecture. Proc Natl Acad Sci U.S.A.. 106, 4647-4652 (2009)
5. T. Shirai, V.-S. Hung, K. Morinaka, T. Kobayashi, S. Ito, Crystal structure of GH13 alpha-glucosidase GSJ from one of the deepest sea bacteria. Proteins 73, 126-133 (2008)